Revolutionärer strahlungsfester Transistor erhöht Sicherheit in Kernreaktoren

Electronics & Sensors INSIDER

ORNLs Kyle Reed leitete ein Team, das einen von ORNL hergestellten, robusten neuen Transistortyp im Reaktorpool testete, während er unter Strahlung leuchtet am The Ohio State University Nuclear Reactor Labor. (Bild: Michael Huson/The Ohio State University)

Kleine Sensoren, große Wirkung: Monitoring in Kernreaktoren

Die Sicherheit und Effizienz eines großen, komplexen Kernreaktors kann durch Hardware so einfach wie ein winziger Sensor verbessert werden, der ein Kühlsystem überwacht. Deshalb arbeiten Forscher am Oak Ridge National Laboratory (ORNL) des Energieministeriums daran, diese grundlegenden Sensoren genauer zu machen, indem sie sie mit Elektronik paaren, die der intensiven Strahlung im Reaktorinnern standhält.

Durchbruch: Galliumnitrid-Transistoren überleben Neutronenbeschuss

Das ORNL-Forschungsteam erzielte kürzlich unerwartet hohen Erfolg mit einem Galliumnitrid-Halbleiter für Sensor-Elektronik. Ein Transistor aus diesem Material hielt den Betrieb in der Nähe des Kerns eines von Forschungspartner The Ohio State University betriebenen Kernreaktors aufrecht.

Galliumnitrid, ein Wide-Bandgap-Halbleiter, war zuvor gegen die ionisierende Strahlung getestet worden, die auftritt, wenn Raketen durch den Weltraum rasen. Geräte mit Wide-Bandgap-Halbleitern können bei viel höheren Frequenzen, Temperaturen und Bestrahlungsraten operieren. Aber Galliumnitrid hatte sich noch der noch intensiveren Strahlung von Neutronenbeschuss stellen müssen. „Wir zeigen, dass es für diese Neutronenumgebung großartig ist“, sagte Hauptforscher Kyle Reed, Mitglied der Sensors and Electronics Group am ORNL.

Vorteile: Näher an Sensoren, weniger Rauschen, höhere Genauigkeit

Das könnte einen großen Schub für Geräteüberwachung in kerntechnischen Anlagen bieten. Die von Sensoren gesammelten Informationen liefern Frühwarnungen über Verschleiß an Geräten, was rechtzeitige Wartung ermöglicht, um umfassendere Geräteausfälle zu vermeiden, die Reaktorausfallzeiten verursachen. Derzeit werden diese Sensordaten aus der Ferne verarbeitet, durch Yards von Kabeln verbunden mit Elektronik auf Siliziumbasis.

„Unsere Arbeit macht die Messung der Bedingungen in einem betriebenen Kernreaktor robuster und genauer“, sagte Reed. „Wenn Sie lange Kabel haben, endet man mit viel Rauschen, was die Genauigkeit der Sensorinformationen beeinträchtigen kann. Indem man Elektronik näher an einen Sensor platziert, erhöht man dessen Genauigkeit und Präzision.“ Um dieses Ziel zu erreichen, müssen Wissenschaftler Elektronik entwickeln, die Strahlung besser verträgt.

Extreme Tests: 3 Tage bei 125 °C nahe dem Reaktorkern

Forscher bestrahlten Galliumnitrid-Transistoren drei Tage lang bei Temperaturen bis zu 125 Grad Celsius nahe dem Kern des The Ohio State University Research Reactors. „Wir erwarteten voll und ganz, die Transistoren am dritten Tag zu töten, und sie überlebten“, sagte Reed. Das Team trieb die Transistoren bis zur Sicherheitsgrenze des Reaktors: Sieben Stunden bei 90 % Leistung.

Die Galliumnitrid-Transistoren konnten mindestens das 100-fache der akkumulierten Strahlendosis eines Standard-Siliziumgeräts verkraften, sagte Forscherin Dianne Ezell, Leiterin von ORNLs Nuclear and Extreme Environment Measurements Group und Mitglied des Transistor-Forschungsteams.

Sie sagte, das Transistormaterial müsse in der Lage sein, mindestens fünf Jahre – das normale Wartungsfenster – im Pool eines Kernreaktors zu überleben. Nachdem das Forschungsteam das Galliumnitrid-Gerät Tagen viel höherer Strahlungswerte im Kern selbst aussetzte, schlossen sie, dass die Transistoren diese Anforderung übertreffen würden.

Bedeutung für Mikroreaktoren und zukünftige Designs

Dies ist ein wichtiger technischer Fortschritt, da die Aufmerksamkeit von der bestehenden Großflotte kerntechnischer Anlagen zu Mikroreaktoren wechselt, die zehn bis hunderte Megawatt Leistung erzeugen könnten. Obwohl diese neuartigen Reaktordesigns noch in der Entwicklungs- und Lizenzierungsphase sind, könnte ihre potenzielle Tragbarkeit erlauben, sie auf einem LKW in militärische oder Katastrophenzonen zu verlegen.

Fortgeschrittene Reaktoren werden für den Betrieb bei höheren Temperaturen mit unterschiedlichen Brennstoffformen entworfen. Da Mikroreaktoren so kompakt sein werden, müssen alle Betriebsbestandteile, einschließlich der Sensoren, im Strahlungsfeld funktionieren können, sagte Ezell. Galliumnitrid-Transistoren könnten der Schlüssel sein.

Weitere Forschung: Größe, Hitze, Computermodelle

Ohio-State-Forscher bauten Geräte verschiedener Designs und Größen, um Spezifikationen von ORNL zu erfüllen, und das Team verglich ihre Reaktionen auf Strahlung, wobei sich zeigte, dass größere Geräte weniger anfällig für Strahlungsschäden schienen. Ohio State entwickelt nun Computermodelle, um zu projizieren, wie verschiedene Schaltkreisesigns unter verschiedenen Temperaturen und Strahlungsniveaus performen werden.

Reed sagte, die Strahlungstests in Ohio zeigten, dass Hitze schädlicher für das Galliumnitrid zu sein schien als Strahlung. Das Forschungsteam will daher messen, wie Galliumnitrid auf Hitze allein reagiert. „Da das ultimative Ziel ist, Schaltkreise mit diesen Materialien zu entwerfen, können wir, sobald wir die Temperatur- und Strahlungseffekte verstehen, diese im Schaltkreisentwurf kompensieren“, sagte Reed.

Wirtschaftliche und Sicherheitsvorteile

Besseres Nuklearmonitoring bedeutet erhöhte Sicherheit und reduzierte Betriebskosten, stellte Ezell fest. „Hunderttausende Dollar gehen jeden Tag verloren, an dem ein Reaktor stillsteht“, sagte sie. „Wenn wir kerntechnisch wettbewerbsfähig mit anderen Energieindustrien machen wollen, müssen wir unsere Kosten niedrig halten.“ Zudem reduziert die Verringerung der Wartungshäufigkeit menschliche Sicherheitsrisiken. „Man vermeidet, Menschen in harte Strahlungsumgebungen zu bringen oder radioaktives Material so oft zu handhaben“, fügte Ezell hinzu.

Obwohl Galliumnitrid seit etwa einem Jahrzehnt kommerziell erhältlich ist, wird es nicht weit verbreitet genutzt, sagte Reed. „Wir öffnen verschiedene Nebenwege für die Nutzung von Galliumnitrid, damit wir anfangen können, eine vernünftigere Marktnachfrage für Investitionen, Forschung und Workforce-Entwicklung für Subklassen von Elektronik jenseits von Consumer-Grade zu schaffen“, sagte Reed.

Langfristig möchten Forscher demonstrieren, dass Galliumnitrid-Schaltkreise genutzt werden könnten, um Daten von Sensoren drahtlos zu übertragen. Das Material wird bereits für Geräte verwendet, die Radiofrequenzanwendungen unterstützen, wie Handys, und Leistungselektronik.

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